城市人工水体的气象效应与局地环境变化

张耀存，1963年11月生，现任南京大学教授，博士生导师。1991年毕业于南京大学并获博士学位。主要从事区域气候变化分析和数值模拟、区域海－陆－气相互作用的教学和科研工作。曾主持和参加国家自然科学基金项目、国家重点基础研究发展规划项目（973项目）、国家科技攻关项目以及江苏省自然科学基金项目等多项课题的研究工作，在国内外学术刊物上发表论文50余篇，合作出版著作2部，以第一完成人获教育部提名国家科学技术奖自然科学奖一等奖一次，获得涂长望青年气象科技奖二等奖一次，1998年获江苏省第四届青年科技标兵称号。1998年9月-2000年8月在加拿大Bedford海洋研究所进行区域海气相互作用的合作研究，2006年6月-2006年9月在日本东京大学气候系统研究中心进行东亚副热带西风急流对东亚气候影响的分析和模拟研究。

陆地有限域水体包括江河、湖泊、水库等天然或人工水体，它是生态环境和自然资源的重要组成部分。世界上一半以上的大城市都坐落在水边，这是因为在城市形成之初，水路是交通运输的主要途径，而交通运输通畅与否是一个城市能否发达兴旺的关键所在。如今，由于人类活动对地球环境已产生了不可忽视的影响，地球环境正朝着不利于人类生存的方向演化，全球变暖已成为世界各国政府和科学界日益关注的热门话题。另一方面，随着人类文明的进步，城市化正成为发展中国家迈向现代社会的重要标志，同时人们对生活环境也提出了越来越高的要求。由于水体特殊的物理属性，其在改善自然环境中的作用得到越来越广泛的应用。例如，在快节奏的社会生活中，竞争和工作压力需要得到有效释放，邻水而居不仅能让居住者享受到开阔水面自然美景从而有利于放松心境和调节身心，而且水体的环境效应也是人们热衷于在水边居住的重要原因。2100433B

《城市人工水体的气象效应与局地环境变化》是有限域水体气象效应与局地环境变化研究成果的系统介绍。主要内容包括水体气象效应的观测研究、水体和大气湍流交换理论、水体动力和热力效应数学模型求解方法，以及水体气象效应数值模式的构造及其应用。

《城市人工水体的气象效应与局地环境变化》可供从事气象、水文、生态和环境科学等相关专业科研人员和高等院校研究生参考阅读。

“城市人工水体建设丛书”序

前言

第一章　绪论

1.1　地球水的存在形式及水的基本性质

1.1.1　水的存在形式

1.1.2　水的基本性质

1.2　地球水圈和水循环

1.2.1　水圈的组成

1.2.2　地球水循环

1.3　水圈和大气圈的相互作用

1.3.1　厄尔尼诺-南方涛动

1.3.2　湖泊效应

1.4　水体气象效应的研究方法

1.4.1　水体气象效应的观测研究

1.4.2　水体气象效应的理论研究

1.4.3　水体气象效应的数值模拟研究

第二章　水体气象效应观测研究

2.1　水体辐射平衡特征

2.1.1　水面的反射条件

2.1.2　总辐射在水体中的传播

2.1.3　水体的辐射平衡

2.2　水体热量平衡状况

2.3　水体对气象要素分布的影响

2.3.1　水体的温度状况

2.3.2　水体上方的湿度状况

2.3.3　水体上的风状况

2.4　水体和周围陆地的相互影响

2.4.1　陆地对水体的影响

2.4.2　水体对周围陆地温度和湿度的影响

第三章　水体和大气之间的湍流交换

3.1　大气边界层通量廓线关系

3.2　水面粗糙度

3.3　水体和大气湍流通量输送的解析理论

3.3.1　物理模型和解析解

3.3.2　计算结果分析

3.4　水体上空湍流交换的观测研究

3.4.1　中性层结下的廓线规律

3.4.2　非中性层结下的廓线规律

3.4.3　温、湿、风廓线的相似性

第四章　水体的动力效应理论

4.1　粗糙度变化对切应力的影响

4.2　水体上空风速变化的理论研究

4.2.1　基本方程

4.2.2　问题的一般解

4.2.3　气流经过水域时可能达到的最大风速

4.2.4　计算结果

第五章　水体气象效应的二维数值模拟

5.1　水体气象效应的二维非静力平衡数值模式

5.1.1　基本方程组

5.1.2　湍流交换系数

5.1.3　云物理过程参数化方案

5.1.4　长波辐射通量与冷却率的计算

5.1.5　地面温度和水温预报

5.1.6　计算区域和网格系统设计

5.1.7　数值方案

5.1.8　边界与初始条件

5.2　水体气象效应的二维数值模拟

5.2.1　水体对湍流交换系数的影响

5.2.2　水体的温度效应

5.2.3　水体的湿度效应

5.2.4　水体对陆风演变过程的数值计算

第六章　区域中尺度三维气象数值模式

6.1　中尺度气象数值模式发展概况

6.2　三维非静力MM5模式控制方程

6.3　模式物理过程计算方案

6.3.1　水平扩散

6.3.2　干对流调整

6.3.3　降水物理过程

6.3.4　浅对流参数化

6.3.5　行星边界层参数化

6.3.6　时间积分方法

6.3.7　四维资料同化

第七章　城市人工水体气象效应的三维数值模拟

7.1　郑东新区建设规划和郑州市本底气候特征

7.2　龙湖水体气象效应敏感性数值试验方案设计

7.3　龙湖水体环境效应敏感性试验结果分析

7.3.1　平均温度

7.3.2　平均温度日变化

7.3.3　平均风速

7.3.4　平均风速日变化

7.3.5　平均湿度

7.3.6　平均湿度日变化

7.3.7　龙湖水体对降水的可能影响

7.4　龙湖水体对人体体感温度和舒适度影响分析

7.4.1　人体舒适度的概念和生物气温指标

7.4.2　龙湖对体感温度影响分析

7.4.3　龙湖对人体舒适度影响分析

参考文献

“城市人工水体建设丛书”序

前言

第1章 绪论

1.1 现代城市人水和谐的理念

1.2 城市人工水体建设的科学问题

1.2.1 气象效应

1.2.2 水文地质、工程地质的影响

1.2.3 防洪功能

1.2.4 水生态环境保护

1.2.5 水质演化和保护

1.2.6 水资源综合利用

第2章 城市水系统模型群耦合模拟技术

2.1 郑东新区水系

2.1.1 地理位置

2.1.2 郑东新区概念规划概述

2.1.3 龙湖水系概述

2.2 研究内容描述

2.3 模型群耦合模拟系统

2.4 研究方法与关键技术

2.4.1 研究方法

2.4.2 关键技术

第3章 陆地水体的气象效应

3.1 陆地水体的气象效应研究现状

3.1.1 陆地水体气象效应的观测研究进展

3.1.2 陆地水体气象效应的理论研究进展

3.1.3 陆地水体气象效应的数值模拟研究进展

3.2 陆地水体气象效应的动力学和热力学理论

3.2.1 陆地水体的动力学理论

3.2.2 陆地水体的热力学理论

3.3 陆地水体气象效应观测事实

3.3.1 水系对气象因子的影响分析

3.3.2 水陆的交互影响分析

3.4 水体环境效应的数值模拟方法

3.4.1 陆地水体环境效应的二维非静力平衡数值模拟

3.4.2 城市水体环境效应的三维数值模拟

3.5 龙湖水体气象效应的数值模拟应用研究

3.5.1 龙湖水体气象效应敏感性数值试验方案设计

3.5.2 龙湖水体气候效应结果分析

第4章 人工水体的地下水效应与地质灾害分析

4.1 地下水运动描述

4.2 研究区工程地质条件分析

4.2.1 渗透稳定性问题

4.2.2 边坡(基坑)稳定性分析

4.3 浅层地下水数值模拟与预测

4.3.1 水文地质模型概化

4.3.2 数学模型及求解

4.3.3 模型校正与验证

4.3.4 成湖方案的预测与优化

4.4 人工水体地质灾害分析

4.4.1 湖体开挖后的渗漏问题

4.4.2 农田浸没及次生盐渍化问题

4.4.3 湖体开挖的稳定性问题

第5章 城市雨洪模拟

5.1 城市化及城市洪涝灾害的特点

5.1.1 城市化的水文响应

5.1.2 城市洪涝灾害

5.2 城市区产流计算模型与方法

5.2.1 水面产流计算

5.2.2 水田产流计算

5.2.3 旱地产流计算

5.2.4 城镇产流计算

5.2.5 总产流量计算

5.3 城市区汇流模型与方法

5.4 城市雨洪模型简介

5.4.1 蓄水、处理、溢流模型

5.4.3 沃林福特模型

5.4.4 伊利诺排水模型

5.5 龙湖水系与城市防洪关系研究

5.5.1 研究内容

5.5.2 研究路线

5.5.3 计算方法

5.5.4 龙湖水系规划

5.5.5 计算结果

5.5.6 主要研究结论

第6章 城市水系生态系统构建

6.1 水生态系统构建的基本理论

6.1.1 水陆交错带理论

6.1.2 湖泊生态系统氮、磷循环理论

6.1.3 水生态系统能值转换理论

6.1.4 系统动力学思想

6.2 水生态系统构建的技术体系

6.2.1 水生态系统设计的指导思想

6.2.2 水生态系统设计的技术路线

6.2.3 龙湖生态系统概念设计

6.3 龙湖水生生态系统具体方案设计

6.3.1 环湖带生态设计方案

6.3.2 湖体生态系统设计方案

6.4 水环境生态保护效益分析

6.4.1 湖岸带子系统生态保护效应

6.4.2 湖体子系统生态保护效应

6.4.3 龙湖水环境生态保护工程系统效益分析

6.5 生态风险分析

6.6 水环境保护应急方案

6.6.1 应急技术措施

6.6.2 应急组织措施

6.7 龙湖生态工程实施与运行管理

6.7.1 龙湖生态工程的概述

6.7.2 龙湖水环境辅助生态措施

6.7.3 龙湖生态工程实施技术支撑

6.7.4 龙湖水生态保护系统运行管理方法

6.7.5 研究结论

第7章 水环境要素演化规律分析

7.1 水量水质联合模拟数学理论和方法

7.1.1 河网非稳态水量水质数学模型

7.1.2 二维非稳态水量水质数学模型

7.1.3 水质参数的分析

7.2 龙湖水系水环境要素模拟问题描述

7.2.1 水环境要素模拟标准

7.2.2 污染源调查与分析

7.2.3 水文设计条件分析

7.3 工程调控措施

7.4 龙湖水体工程调控措施的应用及影响分析

7.4.1 龙湖水体研究问题概述

7.4.2 工程调控措施对龙湖湖体的水环境影响分析

7.4.3 工程调控措施对港汊的水环境影响分析

7.4.4 不同湖深方案综合调控措施的水环境影响分析

7.4.5 推荐方案

第8章 水资源综合利用

8.1 城市水资源利用的研究动态及发展状况

8.1.1 城市污水和雨水利用的可行性研究

8.1.2 国外城市污水及雨水资源利用的发展概况

8.1.3 国内城市污水及雨水资源利用的发展概况

8.2 城市水资源综合利用途径

8.3 城市水资源综合利用方案研究

8.3.1 城市杂用水利用

8.3.2 生态景观利用

8.3.3 农业灌溉利用

8.3.4 地下水回灌利用

8.3.5 工业利用

8.4 郑东新区水资源综合利用

8.4.1 研究背景

8.4.2 城市生活污水资源利用

8.4.3 龙湖水体资源综合利用

8.4.4 雨水资源利用

8.4.5 研究结论与建议

第9章 城市水文化建设

9.1 水文化内涵

9.1.1 水文化概念

9.1.2 水文化内容

9.1.3 水文化特征

9.2 水文化建设

9.2.1 水文化建设原则

9.2.2 水文化建设方法

9.2.3 水工生态修复工程

9.3 水文化发展

9.3.1 天人合一

9.3.2 自然循环大系统保护

9.4 龙湖水文化建设研究实例

9.4.1 历史文化的传承

9.4.2 历史与现代文明的交融

参考文献

本书介绍了现代城市人水和谐建设的基本概念，针对城市人工水体建设中存在的一系列科学问题提出了模型群耦合的思想，以人工水系为纽带，集成中尺度天气分析、地表水、地下水、水量水质模拟技术，通过联合运用工程、生态与管理措施，分析了城市水生态系统建设中生态环境保护、城市防洪、水资源综合利用、水文化建设等相互关系，研究了水系统的演变规律，提出了一整套科学的研究方法和可行的实施措施。

本书可供从事水资源规划、水环境保护、城市规划的科研、规划、设计和管理人员参考，也可供高等院校相关专业师生参阅。

《城市人工水体的水资源效应与利用》在综述国内外城市污水及雨水资源利用研究及实践进展的基础上，详尽阐述了城市水资源循环利用及内涵，城市污水及雨水资源的利用方式、利用技术及可利用资源量的计算，分别论述了城市污水及雨水资源用于城市杂用、生态景观、农业灌溉、地下水回灌及工业等五种途径对水质、水量的需求及特点。最后，对郑东新区污水及雨水资源综合利用进行了实证研究。

《城市人工水体的水资源效应与利用》可作为水资源、生态、环境、城市给排水、城市水务及相关专业的规划、设计、管理、科研和教学人员的参考书，也可作为这些专业的研究生教材。